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美国雷神技术公司导弹先进设计与装配技术

2020-12-18 来源:北京太阳谷咨询有限公司

  导读:美国雷神技术公司(以下简称雷神公司)是世界最大的导弹生产商。在提升导弹性能技术能力的同时,雷神公司持续推动先进设计与装配技术的发展与应用,雷神的导弹工厂正在逐步朝向智能化迈进。

 

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上图为美国亚利桑那州图森市,雷神导弹系统部CAVE空间内。工作人员可以使用三维立体沉浸式可视化技术进行设计和开发协作。

 

  一、CAVE沉浸式设计中心

 

  沉浸式设计中心(CAVE)利用先进的3D建模、虚拟现实和远程协作相结合,创造了一个设计和工程环境,使雷神的工程师和其他人员仿佛看到该公司的某一种导弹就在他们眼前,并且深入每一个细节。在CAVE空间里,他们可以在导弹原型的虚拟模型内部进行组装,然后再到现实世界中进行操作。这使该公司能够在完成任何装配之前发现潜在的设计缺陷,并且向装配车间的操作员提供反馈,以使制造过程更顺畅。

 

  关键词:虚拟现实;可视化;线上协同;激光扫描;运动追踪

 

  Part.01:一切设计都在虚拟样机中进行,不需要建造任何实体物理模型

 

  在美国亚利桑那州图森市雷神导弹与防御系统园区深处,有一间拥有黑色墙壁的屋子,被称为“CAVE”(CAVE Advanced Virtual Environment,意为“沉浸式先进虚拟环境”),其中配备了许多应用在好莱坞工作室和高端游戏中的先进设备:5台3D立体投影机,1台带有转换软件的超级计算机,一块可伸缩的天花板和一面巨大的显示屏幕。

 

  这些定制的设备是雷神公司沉浸式设计中心的一部分。工程师或设计师戴上头戴式设备,就可以审视新工厂布局——重新安排虚拟原型工厂内的各个工作站位置,或者改进产品的设计——直接走进一枚虚拟导弹内部去直接测量并进行设计评估。这一切都在虚拟样机中进行,并不需要建造任何实体物理模型。

 

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工程师在CAVE系统中工作,走进一枚导弹的内部

 

  当工程师可以“进入”导弹并操纵他们所看到的东西时,就可以更好地避免工程设计事故(“啊,这条线路离那个光学传感器太近了!”),或者可以在狭小的空间里安装更多的电子设备,比如导弹的鼻锥。

 

  沉浸式设计中心经理肯达尔·卢米丝(Kendall Loomis)负责领导一个6人团队。她表示,通过CAVE虚拟现实可视化系统,员工可以亲自“站在”电路板或电池中,使用控制器或通过运动跟踪来操纵模型,更精通游戏的人也可以不用头戴式设备,直接通过手柄控制器从不同角度查看模型。

 

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照片中左二为雷神导弹系统部沉浸式设计中心经理肯达尔·卢米丝(Kendall Loomis)女士

 

  CAVE中心的高科技设备还包括一套3D打印机,一台可以在几个小时内创建工厂虚拟3D模型的激光扫描仪,以及两套运动捕捉套装——在红外摄像头的帮助下,可以跟踪工人执行任务时的运动(用于预测人体工程学问题,或者找出使流程更有效率的方法等),这些设备在Part.05予以介绍。

 

  Part.02:利用CAVE进行协同设计/审查优化了跨部门协作的能力

 

  沉浸式设计中心将不同地理位置的用户联系起来的能力类似于网络游戏。多个沉浸式设计中心互联,就像网络游戏玩家可以通过Internet与其他人竞技一样,使雷神的工程师和运营商可以审查相同的设计并从各自的CAVE中进行实时协作。雷神公司位于图森和波士顿工厂的设计师可以通过CAVE轻松地参加虚拟领域内的协作活动,就如同他们在同一个房间一样。卢米丝说,“虚拟现实可视化打破了各部门间的隔阂,改变了传统那种埋头设计各自的部件最后到会议室中通过PPT演示进行跨部门评审的方式,通过CAVE,跨部门人员可以聚在一起,共同审查并探讨项目不同阶段、不同领域的设计,并在虚拟环境中移动部件来进行修改。”

 

  CAVE空间的追踪摄像机可将模型调整至单个评审者视角,并且能够将零件设计的细节放大至实际尺寸的三倍,让在场人员都可以参与进来谈论“黄色的线”和“红色的盒子”这些细节,而不必非要成为技术专家。卢米丝说,“当我们邀请工厂的主要员工们来进行评审时,这一点非常受他们欢迎,他们说,‘现在我也可以参与部件设计的讨论了,我也可以贡献意见出一份力了’。”

 

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参与人员都可以谈论导弹内部的各种细节。佩戴了3D眼镜的工程师和其他工人可以近距离观察导弹的内部,并精确地布置电子和机械装置。动态视觉使装配者能够及早发现潜在问题

 

  卢米丝说,“当我们将跨部门、跨职能的一群人聚集在最多可容纳70人的可视化‘小剧院’时,我们取得了最佳效果。通过大规模可视化的力量,他们能够看到降低风险和成本的机会。可视化能够跨越从供应链到质量管理的所有平台,它的聚焦点在于对话。在这里,我们可以边说边迭代,并且把方案一夜之间进行3D打印。”

 

  Part.03:雷神利用CAVE设计了亨茨维尔扩建的新导弹装配工厂

 

  2014年,雷神导弹系统部门运营副总裁金·恩岑(Kim Ernzen)选择使用CAVE来配置雷神位于阿拉巴马州亨茨维尔的新导弹装配工厂的内部布局。在一根大梁都未铺设之前,她的团队便获取了工厂的二维设计图,创建为一个三维模型,并显示在CAVE系统中。工作台、工作站、一应俱全。在设计中,吊车被自动导引车(AGV)取代,沿着工作台之间的长走廊运输重型导弹,在整个工厂的各个工作台上实现导弹装卸。

 

  “除了机械工程师,”卢米丝说,“我们还会叫来热能工程师、电气工程师、建筑工程师、高级装配工和测试人员站在虚拟工厂的地面上,他们可能会提示我设计中缺少扭矩扳手的摆放位置;我们也会邀请健康及安全监督人员来看新的虚拟工厂,他们则可能会提示我工厂没有明显的安全出口标志;我们可能会向他们探讨,‘有这样几个设想……’,并在真正使用混凝土拆毁或重建一堵墙之前,通过虚拟现实技术模拟其效果进行展示。”在导弹工厂实际建设前,团队已经通过CAVE确认了各类生产要素的空间布局,合理而颇具效率,并且降低了调整风险。

 

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CAVE正逐渐成为一种工厂设计的专业设计师工具。可以看到图中人物背后显示的虚拟导弹装配台等元素布置。雷神后续还应用CAVE继续规划了多处其他工厂建筑

 

  以前设计一座工厂的做法可能是在桌面上试着摆放纸人偶和纸板模型。所以,对雷神来说,VR技术强大而实用,它能够帮助工程师弄清楚所有设备该如何正确安装在某个空间内。在57次虚拟迭代之后,雷神的新工厂开始动工建造。

 

  Part.04:利用CAVE加强与供应商的合作伙伴关系,提高了工作效率

 

  在雷神的一个更为成熟的导弹设计案例中,负责为导弹制导部分传输信号与电力的电线束方案在使用40年后需要重新设计以实现现代化。由于图纸包超过了400页,起初供应商是没有信心完成这项升级工作的。雷神利用虚拟渲染(Virtual Render)技术将亚利桑那州图森工厂的可视化中心连接到位于供应商所在地的远程系统,并在重新设计工作中进行实时虚拟协作,而供应商可以通过一个可移动的、非立体显示的CAVE系统与雷神团队远程连接。卢米丝说:“每星期二晚上,他们都会把最新的图纸发给我们;每星期三早上,我们就会把它显示到CAVE里然后邀请他们远程连接,以便一起讨论。供应商表示这是他第一次感受到他们真真正正的是我们在设计工作上的合作伙伴。

 

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国防合同管理局的员工参观亚利桑那州的雷神导弹系统部

 

  由于虚拟渲染技术的帮助,从雷神设计工程师到供应商的制造人员的各种专业人员在诸如夹点以及对工具和装配过程的热危害等问题上都可进行虚拟协作。最终,最初的设计方案被完全转换成了一个灵活的新线束,不仅有效,而且比18个月的原计划时间提前了8个月完成,节省了40%的时间。

 

  “通常,当我们可以远程合作时,就不需要预订航班,”卢米丝说。“与其等待几周去坐飞机,我们完全可以第二天再联系!虚拟现实意味着从日程中抽出的时间更少。我们可以实时操作自己的模型,并立即看到这些变化的结果。我们还可以向客户展示更多迭代的进展,并让他们全程参与。在这个过程中,我们展示了自己的决策过程,并通过交流对产品的成熟度不断增强信心。”

 

  虚拟渲染技术旨在促进小组工作或在公共虚拟环境中与远方的同事合作。它的适应性意味着虚拟渲染可以作为一个快速的决策平台来执行详细的设计评审。雷神所使用的虚拟渲染技术解决方案来自于VR公司Virtalis的Visionary Render VR软件。

 

  使用虚拟渲染技术的目的是提高接受和交付供应链项目的效率和效力,并以更低的成本最大限度地减少对生产计划的负面影响。较短的周期时间意味着高质量的产品更快地到达作战人员手中,同时降低了承包商和国防部门的监督成本。美国国防合同委员会(DCMA)也对雷神导弹系统部的创新实践大加赞赏,并打算以此为基石,支持使用虚拟远程技术进行国防合同监督工作的开展。

 

  Part.05:构建“实物-虚拟模型”双向映射来优化设计和装配流程

 

  激光扫描仪器可以穿透墙壁扫描,这样人可以看到所有的管线、空气处理系统等,然后使用者可以将数据整合,这些无缝衔接的像素可传达空间、深度和颜色信息。利用激光扫描仪能够检验经过虚拟现实设计后的产品,确保最终得到的符合设计细节。

 

  在一个案例中,激光扫描仪与图森工厂一个绰号为“Hotshot”的新厂房进行了一次“配合演练”。(这个设施翻新过“毒刺”导弹,建造过“狮鹫”导弹,还组装过“小直径炸弹Ⅱ”。弹头供电与性能测试室位于厂房两端长走廊的尽头,以防发生任何爆炸伤及人员。在将导弹与测试设备连接后,测试工程师返回主楼进行测试。)

 

  当Hotshot厂房建成时,卢米丝的团队就对其进行了激光扫描,以确保与设计思路的一致性。激光扫描显示,通往试验箱的走廊不是像计划的那样笔直,而是有一个2°的微小弧度,这样当运行程序时,问题墙壁很可能会撞坏自动导引车或者刮过导引车碰掉导弹。由于提前发现了问题,便能够提前重新编程,使自动导引车能够正确通过弯弧。

 

  雷神导弹系统部还投资了一些更小的激光扫描仪来扫描导弹。这些导弹中有很多是四五十年前的,图纸很旧,所有当时的项目专家都退休了。但是通过扫描技术,雷神可以远程向供应商展示他们具体正在处理什么对象,以及可能会出现什么问题。

 

  沉浸式设计中心的动作追踪装置与电影产业联系紧密。这和制作电影时用到的绿幕技术是相似的(注:绿幕技术可剥离前景和后景,比如下图)。所以在CAVE里从上到下都有红外摄像头,动作追踪装置能追踪到衣服上的标记器。在这里模仿组装流程,就像在工厂里走动一样。

 

  还有一套动作追踪服没有标记设备,被称为“惯性服”,它内部有电线和测量身体运动的电子设备(IMU),一般被用于收集身体在车间中的动作信息。卢米丝把它带到工厂,放在装配机上,让操作员装配并测试一个制导部分,一旦收集到数据,团队可以根据这些动作构建一个虚拟人体,并将其放入工厂环境或者虚拟环境中。然后回到现实,对其进行人为因素分析,看看身体是否有任何压力和紧张,看看工作人员操作时施力是否合理,是否总向同一方向施力或移动过多。

 

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虚拟现实全身运动跟踪。此图来自法国虚拟现实可视化解决方案公司Techviz,并非雷神公司

 

  根据收集的运动数据,雷神团队最终在工厂设计方案中发现了有21处错误,包括从缺少脚部安全标识到地面安全带标识错误。

 

  这一技术非常好用,雷神公司正在探索使用CAVE进行培训的方法。可能会要求工人在虚拟工厂中发现问题。雷神还为新兵开发虚拟现实训练器,以修复战斗机的电路板。

 

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雷神正在探索使用CAVE进行工人操作训练

 

  Part.06:CAVE短评——虚拟现实真正成为生产力

 

  CAVE的应用案例充分践行了雷神公司“面向制造及装配的设计”(DFMA)理念。现在,虚拟现实和虚拟渲染平台已经是雷神的成熟解决方案,可在整个产品生命周期中进行虚拟协作。波士顿和图森工厂记录显示,虚拟现实技术帮助雷神导弹系统部在降低风险和成本方面提高了25%,这意味着每年节省了数百万美元。

 

  虚拟现实技术并非独一无二,但雷神使用它的方式却是独一无二的,这项技术被用在需要实干的日常工作任务之中,而不是每天用的不多专门在关键时刻摆放到显眼处给客户做做样子来争取个订单。正如雷神导弹系统部的高级制造总监鲍勃·埃里克森(Bob Erickson)所说,虚拟现实是雷神真正不可忽视的生产力。

 

  雷神团队还在努力将更多的数据分析纳入其中,包括结构、热、机械和电子数据,以进行复杂的建模。在这种沉浸式环境下,采用多个不同的软件应用程序,并在一个小剧场通过视觉将它们交织在一起,大规模的数据分析非常前沿,足以让全世界大开眼界。

 

  二、自动化装配生产线

 

  雷神公司采用定制了一些专用装配机器人,在高度自动化生产制造中实现了人力解放。自动化装配系统可以无差错地无休止地执行最详细的任务,这些技术降低了雷神导弹系统的成本,并显著缩短了周期时间。

 

  关键词:变革;自动化;柔性装配;生产管控

 

  Part.07:从红石导弹工厂开始,雷神放弃了使用35年的传统装配生产技术

 

  2012年11月,在阿拉巴马州亨茨维尔的红石兵工厂陆军基地,世界上第一个用于大型导弹组装及测试的自动化工厂正式建成。厂房占地70,000平方英尺,采用了当时最新的机器人技术和计算机控制技术,打造出雷神导弹业务中最现代化的制造流程。

 

  这家自动化工厂生产“标准-3”和“标准-6”导弹。在这里,一队激光制导机器人车辆滑过工厂闪闪发光的地板,将大量导弹组件运送到组装所需的准确位置。在工厂的地板上,机器人手臂正在制造单元和测试单元之间传递部件。不涉及叉车或起重机。机械臂周围的操作区域是一个无人区域。如果有任何东西穿过不可见的光束,被称为“光幕”的设备就会自动关闭。这是一个安全机制,在人和机器共存的地方,正是需要这样的边界。

 

  雷神的红石导弹工厂专门测试和组装在其他厂生产的导弹系统部件。雷神公司制造创新总监史蒂夫·拉森(Steve Larson)说:“我们放弃了已经使用了35年的生产技术来创建这个自动化工厂。”

 

  那么传统的组装厂是什么样的?

 

  与大多数适合自动化的应用不同,雷神的导弹生产是一个非常小批量的应用。导弹组装可能需要几周时间,在任何给定的工作站上都可能需要几天时间。

 

  在传统的导弹装配工厂中,在工作站之间移动零件是一个耗时、劳动密集型的过程,可能会出现错误和人体工程学压力。手动推车用于将产品从一个地方运送到另一个地方,由于产品具有爆炸性,安全法规要求组装区域与测试区域保持一定距离。这意味着需要体力劳动来将成品导弹推上长达300英尺的手推车,以及从仓库中取出零件。

 

  拉森说:“我们用了很大的力气和机器-人互助来把这些部分推到一起并移动它们。仅仅做这样一件简单的事情——比如把东西从一个地方搬到另一个地方,就需要大量的规划和人员,这对我们来说不是最有效的时间利用。”

 

  虽然这样的移动很少,但是一定有更好的方法,而不是用四到六名熟练的技术人员来手动搬运材料。“我们正在用一种劳动密集型的、基于纸张的、依赖人的过程来移动一些非常昂贵并且有爆炸物的东西,”拉森说。“直到我们意识到,通过引入一些自动化,我们可以更好地防止错误。”

 

  Part.08:来自厕纸厂的AGV撑起了Zero-lift理念,不再需要叉车和起重机

 

  最终,红石导弹工厂使用两辆24英尺的自动导引车(AGV)和一辆10英尺的自动导引车在测试区和19个装配工作站之间运送材料。

 

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承载着沉重导弹部件的自动导引车

 

  与任何行业一样,产品损坏和缺陷可能会给雷神带来巨大的成本。雷神公司以前在一些产品运输中使用笨重的桥式起重机,AGV的出现则让他们得以实施零人力托举(Zero-lift)化的组装过程,并且在组装区域再也看不见起重机和叉车。导弹部件现在只被提升一次——从本厂的拖车到装卸码头——然后自动导引车就可以把它们运送到其他地方。这些车辆被编程为遵循一定的路径,但具有激光制导技术,可以感知地面和机组顶部的障碍物。

 

  最初考虑自动导引车时,首先考虑的是导弹部件的重量。成品导弹重达数吨,拉森并不知道AGV是否能完成任务。运载多吨重的货物实际上是一个不小的工程挑战,需要知道如果自动导引车突然停下来,负载会发生什么变化。直到AGV供应商将拉森带到一家使用自动导引车运输厕纸和其他商业产品的工厂。虽然产品风马牛不相及,但厕纸测试厂的那些的原材料经常超过10,000磅,这证明了AGV可以处理雷神的导弹。

 

  在确定自动导引车可以承受重量后,下一步就是为它们配备独特的有效载荷。雷神公司还为他们所谓的“滑橇”申请专利,这是一种锁定在导弹运载工具支架和环上的滑动机构。

 

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AGV上的滑橇

 

  自动导引车仅用于产品移动;AGV上的产品不进行装配工作。拉森说:“我们不会将某台自动导引车专用于特定的导弹部件处理,因为装配的周期很长(会占用AGV很久)。它的用处不是作为工作站,它只负责产品移动。”而滑橇会将整个导弹或部件从自动导引车移动到工作站,在那里,AGV暂时停靠充电坞,以获得电力、压缩气和数据传输的供应。

 

  自动导引车依靠强大的锂离子电池运行,并有自己的内部定位系统,以及一个内置的安全系统,如果有人靠近,该系统会停止车辆移动。每辆AGV还配备了雷神设计的甲板加强板、非车载自动充电器和地板充电靴。这些AGV可以7×24小时不停歇地工作

 

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AGV上的锂电池来自美国Lithionics Battery公司

 

  除了在生产过程开始时打开部件包装箱的工人之外,机器人将在整个生产和测试过程中处理导弹,直到导弹离开工厂大门。

 

  自动导引车消除了工人在抬放东西过程中犯错误的任何机会,同时让工人专注于更优先的任务。拉森也曾在评估过传送带方案,这种传送带通常用于雷神公司其他工厂的较小组件,但他表示,(相比传送带方案)自动导引车能够赋予雷神更大的灵活性。AGV系统更容易重新配置。拉森说:“目前AGV是为两种导弹平台设置的,但是硬件、工具和软件都是可扩展的、模块化的和具有强适应性的。为工厂改装新导弹的成本非常低。”

 

  Part.09:AGV在装配流程中提供精确可追踪的部件运动轨迹

 

  雷神红石导弹工厂最先进的生产核心就是这批定制的、完全集成的自动导引车辆(AGV),这也使得零托举(Zero-lift)理念、显著的人体工程学改进和整个装配过程的可追溯性成为可能。

 

  节省劳动力已经证明了自动导引车部署的重要性,但是这些节省只是AGV作用的一小部分。“任务保证才是真正的关键,”拉森说。“导弹每次都必须绝对完美地工作,我们需要在导弹使用之前知道它们一定会工作。任何的返工和缺陷成本都非常昂贵。”

 

  红石导弹工厂给雷神的制造时间只有一年,雷神公司通过与自动化集成商JBT公司合作,在六个月的时间里开发了新设施的工作流程,并在其他地点模拟测试了这一流程和所有自动化设备。完全集成的AGV系统为装配过程的每个步骤提供了详细的跟踪和追溯功能。

 

  拉森说:“自动导引车是整个系统架构的一部分。“对于每一步,我们都有‘谁做的,如何做的,什么时候做的’的历史记录和验证,直接人类脱离这个循环,以便进行非常彻底的验证。”

 

  Part.10:像“标准-3”导弹一样精确制导对接的柔性装配生产线

 

  在红石导弹工厂,雷神建成了全世界最大的自动化导弹柔性装配生产线,下图所示即导弹柔性对接装配生产场景,该生产线的对接执行机构为直线导轨式数控对接平台工作站,该数控对接平台在空间的三个移动自由度与三个转动自由度上均有适量的调整能力。数控对接平台上也装有环状的支架工具,用来夹持、运动与装配导弹舱段。

 

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雷神导弹柔性装配工作站

 

  采用激光制导的高精度自动导引车(AGV)作为导弹部件的转运装置,可运送重达5t的舱段,通过使用特殊的激光制导软件,自动导向车与工作站的对准精度达到0.0001英寸(2.54μm)以内。在工作站上,特殊的环形接口适配器支撑着导弹,允许工人旋转导弹并上下移动它以达到最佳的工作位置。整个导弹的对接过程尽量减少了人为操作,保证对接的高度一致性,且大幅节约了成本。

 

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左图:工作站上的环形支架;右图:激光制导的自动运输机器人

 

  在导弹部件流转过程中,自动导引车代替人进行导弹舱段和成品的运输,并提升和放置到负责组装的工作站上,通过激光传感器实现了精准定位,并通过覆盖整个工厂WiFi网络与信息数据系统通信,在系统的控制下实现无人干预下的部件自动运输操作,在危险部件运输和人为操作失误控制等方面起到了良好的风险控制作用。通过应用该方式,物流运输实现了高度自治。

 

  装配完毕后,自动导引车将每枚完成的导弹运送到距离工厂250英尺的导弹测试室。这些特殊的混凝土和钢结构被设计成通过将爆炸向上偏转并从测试单元后部转移到树林中来抵抗导弹的意外爆炸。

 

  Part.11:工业机器人让导弹装配高精度、高灵活度、高效率、高度自动化

 

  雷神公司已经实现了大范围的生产自动化,在图森太空工厂,一个个亮黄色的工业机器人系统帮助人类来测试和校准制造的每一件武器,而不仅仅是每20件中抽查1件。

 

  例如,导弹导引头包含精密传感器,通常需要高强度、高技能的劳动力。在装配导引头方面,传统模式主要依靠手工完成,严重依赖装配人员的技艺。然而,雷神公司通过机器人加速了这一精密制造过程。为提升装配效率,降低误差,雷神公司进行了大量行业分析研究,开发了一套能够满足导引头生产要求的工业机器人。在图森工厂,发那科(Fanuc)六轴机器人利用机械运动优势,实现高精度重复装配工作。并且机器人的末端执行器(安装机械臂末端的可更换工具)配备视频检测系统,能够在导引头安装中不断校准误差,保障其精细化装配效果。

 

  在工厂的原型实验室里,机器人被编好程序为游客进行演示:它的视觉系统为导弹导引头识别正确的镜头,然后,机器人使用真空吸盘将镜头捡起来,并以正确的方向安装。手臂移动到工具包,分离真空附件,并连接一个薄的粘合剂注射器。手臂可以360°自由旋转。如果人类在做这项工作,估计只有柔术演员才能实现它的角度。

 

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为装配导引头光学元件而设计的机器人演示单元

 

  雷神公司的这些机器人以流畅、近乎怪异的效率工作,不仅仅是在无聊、重复的装配线上工作。在一个场景中,一个巨大的机器人手臂将六枚“魔爪”激光制导火箭弹的零件架运送到一个炉箱,以测试它们对酷热的耐力。炉箱的门在手臂接触到它时自动打开,当零件在里面时自动关闭。

 

  在“小直径炸弹Ⅱ”的装配、检测流程中,雷神公司将AGV和工业机器人引入装配生产线。各种零部件由AGV运送到各个制造单元和测试单元,工业机器人则在超净间实现各类产品的准确移动、装配。在机器人工作区,没有或是仅有极少人员介入。

 

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AGV运输“小直径炸弹Ⅱ”进行装配

 

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工人在工作台装配小直径炸弹Ⅱ

 

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机械臂将一个“小直径炸弹Ⅱ”的制导段放入测试室

 

  从制造效果看,机器人参与的自动化装配能够完成人类难以完成的动作,能够胜任许多人力所不及的场景,大幅缩短了装配周期,同时又实现了人与机器活动分离,避免了人在特殊空间内以及危险测试环境作业时的安全隐患,减少了人对危险爆炸品的接触。同时,机器人装配具有更高的精确度,利于实现装配标准化、规模化,能够更好地控制制造过程。此外,机器人结合制造执行系统(MES)和制造创新智能系统(MII)还可满足生产控制标准化要求,实现全生命周期的数据追踪记录。

 

  Part.12:生产管理软件记录导弹大数据,以严格的标准打造绝对的质量

 

  雷神公司(Raytheon)位于美国阿拉巴马州亨茨维尔的新导弹工厂就使用到了“大数据”。雷神导弹系统部的高管兰迪·史蒂芬森(Randy Stevenson)举例说,如果一颗螺丝钉需要拧13次才能够上紧,但事实上只上了12次,错误的信息便会发出,导弹或配件的制造就将被终止。

 

  市面上能够提供这套制造执行系统(MES)软件提供商包括美国的Apriso公司、通用电气公司、罗克韦尔自动化公司以及德国的Simens公司和SAP公司等,这类软件在上世纪80年代便已出现,最初的采用者是半导体制造商和其他高科技公司,但目前正在被越来越多的航空航天制造商所采用。

 

  同时,雷神公司还运用了制造创新智能系统(Manufacturing Innovation and Intelligence,MII),以提升机器人在生产过程中的智能化水平,力争实现对人员干预的需求降至最低。

 

  零部件装配流程和方法被写入了机器人程序,一旦出现任何失误,哪怕一个螺丝拧松,MII系统都会发出警告,并立刻暂停生产线,不让零件移动到下一工作站,直到问题解决。通过应用自动装配机器人生产线,导引头光学部件装配过程的精确性、灵活性以及效率得到了较大提升。

 

  史蒂芬森表示,新能力意味着雷神能够捕捉到更多存在的瑕疵。过去,一些瑕疵只有在随后的安全检测中才能被发现;其它一些可能永远也无法知晓。史蒂芬森说,螺丝钉在国防工业中不只是一个小细节。如果导弹制造商未能使用正确的紧固件或是安装方式不正确,都可能导致武器的失败。每年整个导弹产业花费了数百万美元用于返工、维修和更换安装不正确,或是不符合要求的螺丝、螺栓和其它紧固件。存有缺陷或错误规格的螺丝钉是不能用的。这不是错与对的问题。

 

  雷神同时还自动保留了每个导弹的数据,其中包括每个配件及其操作员的姓名,以及制造过程中每一步的湿度和温度。当错误发生时,有助于雷神找出究竟是哪里存在问题。过去,这些数据必须人工输入,这也增加了错误出现的可能。

 

  这套系统不只可以快速组装导弹,还能够快速拆解导弹。由于导弹生产后,到美国军方往往需要好几年的测试才能真正投入使用。一旦零部件出现问题,又要返厂拆解检测。

 

  Part.13:自动化生产线短评——机器人帮助实现规模经济

 

  这些AGV和六轴的发那科机器人构成的装配生产线在现在看来依然十分先进。雷神红石导弹工厂还在继续改造,让AGV滑橇与用于零件存储的自动垂直转盘系统直接对接。这将消除另一个人类的接触点,并进一步实现准确、无缝的产品移动,提高劳动效率。

 

  大部分时间,雷神公司的技术人员都在和机器人协同工作。当一个机器人需要学习新任务时,技术人员会先在软件平台上进行一次模拟,然后再传输至机器人。这样一个过程通常只需几个小时或者一天时间,而一旦机器人完成实际测试,整个工厂的其他机器人就可以快速地完成新任务部署。

 

  机器人和其他的自动化技术带来诸多好处,产品的质量指数反映出雷神在非自动化操作方面的每一项改进。同时机器人帮助实现了规模化经济,投资回报率非常可观。

 

  在2012年11月的剪彩仪式后,红石导弹工厂于2013年第一季度末生产了第一枚导弹。作为雷神公司最现代化的导弹集成设施,红石导弹工厂被视为自动化产品生产流程的模版屡获殊荣。2014年初,红石导弹工厂应用虚拟现实技术进行了扩建(见前文Part.03),并增加了一个新的测试单元,以提高产量,容纳不断增长的导弹需求。

 

  未来,雷神以现有自动化装配生产线为基础,还可能通过改变控制程序,进一步拓展到为其他导弹或航天产品制造领域,进而达到军品生产中多品种、快响应、易排故的需求目的。目前,雷神的图森工厂已经开始生产美国国防高级研究计划局(DARPA)的小卫星。用于导弹产品的测试线也适用于小型卫星,因为它们与导弹制造过程中的小型电子组件、小型制导部件和小型导引头形状相似,非常适合导弹生产线。

 

  三、小结

 

  近年来,雷神公司利用虚拟现实可视化技术、运动追踪技术、激光制导技术和工业机器人技术等在仿真设计、自动化装配、物流运输和产品全生命周期管控等环节应用了大量先进制造技术,实现了高度自动化,大大提升了设计能力和生产效率。这些先进的设计和方法和技术装备吸纳了科技发展的最新成果,也代表了航天军工制造行业的顶级水平。我国也有航天企业正在发展其中一些类似的技术,具体发展情况未知。期待我国有更多的企业参与进来,促进航天军工智能制造体系的构建。(本文作者:北京太阳谷咨询有限公司 研究员 李雷)

 

  参考资料:

  [1] Virtual collaboration accelerates product lifecycle at Raytheon. Evaluation Engineering. 2018-05-18.

  [2] Fly into a missile: Raytheon embraces virtual reality. David Wichner. 2017-03-18.

  [3] Raytheon Missile Systems Leverages Futuristic Technology To Improve Its Manufacturing Processes. Chris Petersen. 2016-12.

  [4] Joint Strategic Quality Council develops virtual remote technology for contract oversight. DSMA. 2019-06-13.

  [5] How Many Turns in a Screw? Big Data Knows. WallstreetJournal. 2013-05-15.

  [6] Small satellites rolling off Raytheon’s missile assembly line. SpaceNews. 2018-10-03.

  [7] Raytheon: Precision in the air and on the ground. Josh Bond. 2013-07-01.

  [8] Raytheon picks Tucson as HQ of combined 'Missiles & Defense' division. 2020-01-31.